[发明专利]碳化锆晶须改性碳/碳复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化锆晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，用于解决现有方法制备的碳化锆晶须改性碳/碳复合材料力学性能差的技术问题。技术方案是首先采用化学气相沉积在碳纤维表面沉积热解碳保护层，再采用微波水热法将ZrC前驱体引入C/C复合材料预制体中，然后将ZrC前驱体转变为ZrC晶须，之后再采用化学气相沉积进行致密化，最终得到ZrC晶须改性C/C复合材料。本发明制备的复合材料为碳锆两相材料，无其他杂质，ZrC晶须在C/C复合材料内分布均匀，ZrC晶须的长径比大，能与碳基体形成良好的机械互锁，晶须与晶须之间的界面结合良好，从而改善了碳纤维和碳基体的界面结合，显著提高了C/C复合材料的弯曲强度。

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种碳化锆(ZrC)晶须改性碳/碳(C/C)复合材料的制备方法。

背景技术

C/C复合材料因具有一系列优异的性能而受到了研究者们的广泛关注，例如：高强度、高比模量、低密度、高热导率、低热膨胀系数、耐烧蚀、抗热震性能好、尤其是随着温度的升高其强度不降反升，被广泛应用于火箭发动机喷管及喉衬、飞机刹车盘、飞机的端头帽和机翼前缘的热防护系统等。C/C复合材料在无氧环境中有许多优异的高温性能，但C/C复合材料在370℃的有氧环境中就开始氧化，在2000℃就严重氧化，从而影响它的使用。大量研究表明，向C/C复合材料中引进ZrC超高温陶瓷可以显著改善其抗氧化抗烧蚀性能。但传统的制备方法如液相浸渍和高温熔融浸渍等，采用低密度C/C复合材料为骨架，通过循环浸渍裂解或高温熔融浸渍的方式引入的陶瓷相，这些方法虽然改善了C/C复合材料的抗氧化抗烧蚀性能，但制备的陶瓷相粒径一般较大，在碳基体中分布不均匀易团聚，导致碳纤维与碳基体的界面结合变差，从而会影响ZrC改性C/C复合材料的力学性能。所以开发新型制备工艺制备特殊形貌的陶瓷相，实现陶瓷相均匀弥散分布，改善碳纤维和碳基体的界面结合从而提高C/C复合材料的力学性能具有重要意义。

文献1“沈学涛,李伟.C/C-ZrC复合材料的微观结构和力学性能研究[J],无机材料学报.2015，30(5)：459-466”公开了一种C/C-ZrC复合材料的制备方法，该方法以密度为0.2g/cm³的针刺碳毡为材料骨架，采用氧氯化锆水溶液浸渍碳毡，再结合化学气相沉积法和高温石墨化工艺制备得到了ZrC改性的C/C复合材料，当ZrC含量为12.08wt％时,其弯曲强度为42.5MPa，比未改性时提高了70％，但该方法需要2500℃的高温石墨化处理，所制备的ZrC陶瓷相为纳米级、微米级和亚微米级颗粒，颗粒在碳基体中呈偏聚态分布，纳米和微米级的颗粒间结合较弱，导致碳纤维-碳基体的界面结合减弱，在微米级颗粒含量较高的密集碳纤维区域，碳纤维-碳基体的界面结合进一步减弱，不利于材料力学性能的进一步提高。

文献2“杨鑫，苏哲安，黄启忠，等.ZrC质量分数对C/C-ZrC复合材料力学性能的影响[J],中南大学学报.2013,44(2):508-514”公开了一种ZrC改性C/C复合材料的方法，该方法采用基体改性技术将ZrC引入C/C复合材料中，再结合化学气相沉积和高温石墨化工艺制备了C/C-ZrC复合材料，当ZrC的质量分数为12.89wt％，其弯曲强度为100.60MPa～120.20MPa，但该方法所制备的复合材料需要在2000℃热处理，其中ZrC陶瓷相为纳米级颗粒，呈偏聚态的形式分布在碳基体中。

已公开的C/C-ZrC复合材料制备方法中，制备温度都在2000℃以上，所制备的ZrC为纳米、微米、亚微米级颗粒，颗粒间界面结合较弱，导致碳纤维-碳基体的界面结合减弱，并且ZrC颗粒在碳基体中以偏聚态的形式存在，分布不均匀，导致碳纤维-碳基体的界面结合减弱，影响C/C-ZrC复合材料力学性能的进一步提高。

发明内容